Ett elektronmikroskop i tvärsnitt visar aluminiumfolie pläterad med litiumkoboltoxid, ett vanligt material i litiumjonbatterier. Kredit:Bild med tillstånd av Hailong Ning och Jerome Davis III, Xerion Advanced Battery Corp.
Processen som gör guldpläterade smycken eller krombilsaccenter tillverkar nu kraftfulla litiumjonbatterier.
Forskare vid University of Illinois, Xerion Advanced Battery Corporation och Nanjing University i Kina utvecklade en metod för galvanisering av litiumjonbatterikatoder, ger hög kvalitet, högpresterande batterimaterial som också kan öppna dörren till flexibla och solid state-batterier.
"Detta är ett helt nytt sätt att tillverka batterikatoder, vilket resulterade i batterier med tidigare otillgängliga former och funktioner, sade Paul V. Braun, professor i materialvetenskap och teknik och chef för Frederick Seitz Material Research Lab i Illinois. Han ledde forskningsgruppen som publicerade sina resultat i tidskriften Vetenskapliga framsteg .
Traditionella litiumjonbatterikatoder använder litiumhaltiga pulver som bildas vid höga temperaturer. Pulvret blandas med limliknande bindemedel och andra tillsatser till en slurry, som sprids på ett tunt ark aluminiumfolie och torkas. Slamskiktet måste vara tunt, så batterierna är begränsade i hur mycket energi de kan lagra. Limmet begränsar också prestandan.
Galvaniseringsmetoden kan möjliggöra flexibel, tredimensionella batteridesigner. Denna pläterade aluminiumfolie rullades ihop utan att spricka. Kredit:Bild med tillstånd av Hailong Ning och Jerome Davis III, Xerion Advanced Battery Corp.
"Limet är inte aktivt. Det bidrar inte till batteriet, och det kommer i vägen för elektricitet som flödar i batteriet, " sa medförfattaren Hailong Ning, chef för forskning och utveckling på Xerion Advanced Battery Corporation i Champaign, ett startföretag som grundades av Braun. "Du har allt detta inaktiva material som tar plats inuti batteriet, medan hela världen försöker få mer energi och kraft från batteriet. "
Forskarna kringgick pulver- och limprocessen helt och hållet genom att direkt galvanisera litiummaterialen på aluminiumfolien.
Eftersom den elektropläterade katoden inte har något lim som tar plats, den packar in 30 procent mer energi än en konventionell katod, enligt tidningen. Det kan också ladda och ladda ur snabbare, eftersom strömmen kan passera direkt genom den och inte behöver navigera runt det inaktiva limmet eller genom slammets porösa struktur. Det har också fördelen att det är mer stabilt.
Dessutom, galvaniseringsprocessen skapar rena katodmaterial, även från orena utgångsingredienser. Detta innebär att tillverkare kan använda material som är lägre i kostnad och kvalitet och slutprodukten kommer fortfarande att ha hög prestanda, eliminerar behovet av att börja med dyra material som redan tagits upp till batteriklass, Sa Braun.
Galvanisering kan appliceras på texturerade, tredimensionella eller flexibla substrat, öppnar dörren för nya batteridesigner. Den högra sidan av detta kvartal var pläterad med litiumkoboltoxid. Kredit:Hailong Ning och Jerome Davis III, Xerion Advanced Battery Corp.
"Denna metod öppnar dörren till flexibla och tredimensionella batterikatoder, eftersom galvanisering innebär att doppa substratet i ett flytande bad för att belägga det, "sa medförfattaren Huigang Zhang, en tidigare senior vetenskapsman vid Xerion som nu är professor vid Nanjings universitet.
Forskarna demonstrerade tekniken på kolskum, en lätt, billigt material, tillverka katoder som var mycket tjockare än konventionella slurryer. De demonstrerade det också på folier och ytor med olika texturer, former och flexibilitet.
"Dessa design är omöjliga att uppnå med konventionella processer, ", sa Braun. "Men det som verkligen är viktigt är att det är ett högpresterande material och att det är nästan solid. Genom att använda en solid elektrod istället för en porös, du kan lagra mer energi i en given volym. Vid slutet av dagen, människor vill ha batterier för att lagra mycket energi."
